Физики нашли способ избавиться от главной проблемы черных дыр
Ученые разработали модель пространства-времени, которая устраняет нескончаемую кривину черных дыр и объясняет темную энергию.
Новая математическая модель пространства-времени обещает убрать бесконечную кривину в центре черной дыры и одновременно объяснить природу темной энергии Вселенной.
Ученые утверждают, что сингулярность не "размывается" физикой, а просто не существует в пределах новой геометрии.
Черные дыры годами ставят физиков в ловушку: в центре каждой из них общая теория относительности предполагает точку с бесконечной кривиной пространства, где законы физики просто перестают работать. Новое теоретическое исследование предлагает выход из этого тупика из-за необычной математической конструкции.
Как пишет издание NewsYou, команда физиков расширила математический аппарат теории относительности так, что сингулярности в черных дырах становятся геометрически невозможными, а темная энергия вытекает из тех же уравнений.
Основой работы стала концепция, которую разработали еще раньше физики Петер Гесс и усопший Вальтер Грайнер. В новом анализе исследователи Фридолин Вебер, Петер Гесс и Сезар Зен Васконселлос показали, как расширенная геометрия пространства-времени ограничивает максимально возможную кривину и одновременно управляет эволюцией космического вакуума.
Суть подхода – в замене привычных координат пространства-времени на так называемые псевдокомплексные числа. В отличие от привычных комплексных чисел, здесь квадрат воображаемой единицы равен не минус единицы, а плюс единицы. Эта, на первый взгляд, мелкая деталь коренным образом изменяет математическую структуру: она распадается на два независимых сектора - физический, который мы наблюдаем, и "теневой", вспомогательный.
Теневой сектор не является свободной величиной - его жестко фиксирует специальное условие, названное авторами "условием одновременности": уравнения Эйнштейна должны выполняться отдельно в каждом из двух секторов. Благодаря этому теория остается столь же "экономной", как и обычная относительность, но гораздо жестче ограничивает допустимые формы пространства-времени.
Предохранитель против бесконечности
Ключевое последствие новой геометрии – появление так называемой инвариантной шкалы ускорения, которую авторы обозначили буквой a₀. При сравнении этой величины к нулю два сектора сливаются обратно в обычную общую относительность. Но при конечном значении a₀ она действует как своеобразный геометрический предохранитель.
В классической теории функция, описывающая "ход времени" внутри черной дыры, может зануляться точно в центре – именно это и порождает сингулярность. Новая версия теории запрещает этой функции опускаться ниже определенного порога, связанного с тем же параметром a₀. Авторы назвали это условием "разрыва просвета".
Последствия оказались существенными. В стандартной теории мера кривины пространства-времени (так называемый скаляр Кретчмана) в центре черной дыры растет до бесконечности. В новой версии эта величина остается ограниченной и конечной – максимальная возможная кривина масштабируется обратной четвертой степенью параметра a₀. То есть сингулярность не исчезает благодаря какой-то экзотической материи или квантовым эффектам – ей просто не остается места в пространстве допустимых геометрий.
Важно, что новая теория "умеет отступать" там, где она не нужна. В слабых гравитационных полях, как в Солнечной системе, модифицированная геометрия плавно возвращается к привычному шварцшильдовскому решению. Все классические экспериментальные проверки теории относительности остаются справедливыми. Отклонения от стандартной физики становятся заметны только в экстремальных условиях вблизи очень плотных объектов.
Авторы оценивают, что эффекты новой геометрии могут проявиться на радиусах, слегка смещенных от классического радиуса Шварцшильда. Это потенциально способно повлиять на положение так называемой фотонной сферы вокруг черной дыры, характер колебаний пространства-времени и на то, как гасится гравитационно-волновой сигнал во время слияния черных дыр. Это уже конкретные параметры, которые астрономы могут проверить наблюдениями.
Темная энергия по той же математике
Вторая часть работы переносит идею псевдокомплексной геометрии в космологию – на масштаб всей Вселенной. Когда исследователи применили новую математику к стандартной модели однородного и изотропного расширения космоса, уравнения поля распались на две связанные системы.
Оказалось, что вспомогательный "теневой" сектор автоматически добавляет к уравнениям эффективную энергетическую плотность – именно то, что астрономы наблюдают как темную энергию, ускоряющую расширение Вселенной. Иными словами, темная энергия в этой модели не требует отдельного объяснения или новой экзотической субстанции – она естественно вытекает из той же геометрической структуры, которая устраняет сингулярность черных дыр.
Такое совпадение двух величайших нерешенных проблем современной физики – сингулярностей черных дыр и природы темной энергии – в одном теоретическом подходе делает работу особенно интересной для научного сообщества. Следующий шаг – проверка предсказаний с помощью реальных астрономических наблюдений, в частности данных о гравитационных волнах и изображениях чрезвычайно плотных объектов в космосе.
Пока теория остается математической моделью, ожидающей наблюдательной проверки. Но если астрономы найдут предусмотренные смещения в характеристиках черных дыр, это может стать одним из самых больших прогрессов в понимании гравитации со времен Айнштайна.
